Квантовый спутник испытывает технологию, необходимую для создания глобальной квантовой сети.
Сингапурские учёные совместно с исследователями из Шотландии заявили о важном достижении в процессе экспериментов по созданию глобальной квантовой сети в космосе.
В сети, которая передаёт информацию при помощи квантовых свойств отдельных частиц, можно создавать ключи для безопасного обмена сообщениями, а в будущем – возможно даже объединять в сети мощные квантовые компьютеры. Однако учёные считают, что для обеспечения глобального покрытия необходимо размещать оборудование в космосе.
Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) и Университета Стратклайда (Шотландия) стали первыми, кто должен опробовать в работе орбитальные технологии для создания спутниковых узлов квантовой сети.
Они поместили на орбиту компактное устройство, включающее в себя компоненты, используемые для организации системы квантовой связи, и компьютер. И система показала себя в работе: недавно команда опубликовала первые данные, полученные в ходе эксперимента.
Читайте также: Китайский спутник проверит систему безопасной квантовой связи
Созданное командой исследователей устройство, получившее название SPEQS, создаёт и измеряет пары световых частиц, называемых фотонами. Результаты, полученные в космосе, показывают, что SPEQS создаёт пары фотонов с коррелированными свойствам – показатель производительности.
Руководитель команды – старший исследователь Центра квантовых технологий (CQT) в NUS Александр Линг – говорит: «Это первый случай испытания подобных вантовых технологий в условиях космоса».
Команде пришлось проявить чудеса изобретательности, чтобы доработать хрупкий, настольный квантовый агрегат таким образом, чтобы поместить его в наноспутник размером с коробку от обуви. Масса всего спутника составляет лишь 1,5 кг.
Создание коррелированных фотонов является прекурсором для создания спутанных фотонов. Названное Эйнштейном «призрачным действием на расстоянии», спутывание представляет собой связь между квантовыми частицами, которая может принести безопасность в системы связи и мощность в компьютерные сети.
Директор CQT Артур Экёрт предложил использовать спутанные частицы для криптографии.
«Алекс и его команда выводят спутывание буквально на новый уровень. Проводимые ими эксперименты открывают путь к созданию защищённой квантовой связи и распространения квантовых вычислений в мировом масштабе. Я рад видеть, что Сингапур является одним из мировых лидеров в этой области», – заявил он.
Локальные квантовые сети уже существуют. Проблема, которую пытается решить команда Линга, связана с ограничением расстояния. Потери ограничивают распространение квантовых сигналов, передаваемых через эфир вблизи поверхности Земли либо через оптические волокна несколькими сотнями километров – однако мы могли бы в конечном итоге начать использовать спутанные фотоны, излучаемые со спутников, для организации связи между точками, лежащими в противоположных уголках планеты. И несмотря на то, что фотоны, излучаемые со спутника, всё равно должны будут проходить через слой атмосферы, путь сверху вниз для них будет равен прохождению лишь 10 километров вблизи поверхности Земли.
Первое созданное группой устройство стало своего рода технологическим первопроходцем, определяющим путь развития технологии. Устройство использует протоны, излучаемые BluRay лазером, разделяя их на два, затем измеряет свойства пары – всё это происходит на борту спутника. Для этого в устройстве имеется лазерный диод, кристаллы, зеркала и датчики фотонов, аккуратно установленные внутри алюминиевого блока. Всё это помещено на печатной плате размером 10х10 сантиметров, которая также снабжена контрольной электроникой.
Проведя серию предполётных испытаний (во время которых не удалось избежать одного неприятного инцидента), команда получила большую уверенность в том, что их разработка способна пережить запуск ракеты и выжить в условиях космоса. Команда подготовила устройство для запуска ракеты Orbital-3 в октябре 2014 года, которая взорвалась прямо на стартовой площадке. Позднее спутник, содержащий данное первое устройство, был найден на берегу океана целым и невредимым и до сих пор находится в рабочем состоянии.
После этого команда CQT при участии инженерного факультета NUS построила новый аппарат, помещённый на борт спутника NUS, получившего название Galassia, который был запущен в космос в декабре 2015 года. Спутник находится на высоте в 550 км над экватором и совершает один оборот вокруг Земли за 90 минут.
Аспирант Рахита Чандрасекара говорит: «Я просто замер от радости, когда узнал о получении первого файла с данными. Я был взволнован и сильно нервничал, однако как только я декодировал файл, я понял, что устройство работает. Я показал большой палец ладони своему коллеге по команде Чжонгкану. Он быстро определил, что пары фотонов, создаваемые на орбите, обладают тем же качеством корреляции, каким обладали пары, созданные устройством до запуска».
Однако, даже учитывая успех недавних миссий, для создания глобальной сети предстоит ещё пройти несколько важных этапов. Составленная командой дорожная карта предусматривает серию новых запусков, которые обеспечат производство спутанных фотонов следующими SPEQS-аппаратами. Сама же аббревиатура SPEQS расшифровывается как «Small Photon-Entangling Quantum System» – «Малая квантовая система связывания фотонов».
Используя будущие спутники, исследователи попробуют отправить спутанные фотоны на Землю и на другие спутники. Команда работает со стандартными наноспутниками типа «CubeSat», которые можно за достаточно небольшие деньги отправлять в космос в качестве ракетного балласта. В конечном итоге, после завершения создания глобальной сети на орбите появится целый спутниковый флот, а на Земле – сеть станций.
Кроме того, при помощи квантовых спутников можно проводить фундаментальные эксперименты – к примеру, изучать «спутывание» на расстояниях, намного больших, чем те, которые могут себе представить привязанные к земным реалиям учёные.
«Мы достигли предела возможностей проверки квантовой теории на Земле», – говорит соавтор проекта Дэниэл Ой из Университета Стратклайда.
Данное исследование проводится при поддержке Национального фонда исследований (NRF) Сингапура в рамках Программы конкурсных исследований, а также NRF Сингапура и Министерства образования Сингапура в рамках программы повышения мастерства исследовательских центров. Дэниэл также выражает признательность Шотландской квантовой информационной сети и проекту EU FP7 CONNECT2SEA под названием «Развитие квантовых технологий для космоса».
